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金属3D 打印技术探究

作者2019-03-25 11:17未知
 1 引言
  3D 打印技术也叫增材制造技术,在近些年得到了快速发展。它与传统制造工艺不同,是一种全新的制造思想。其本质原理是离散与堆积,即在计算机软件的辅助下,通过对三维模型实体进行切片分层处理,把三维实体的制造转换成二维层面的堆积,再沿成形方向上的不断叠加,最终生成零件实体。3D 打印技术的最大优点是简化了加工制造流程,节省材料,缩短了产品研发周期,降低了开发成本和风险。相比传统工艺,3D 打印用料只有原来的1/3到1/2,但制造速度却快3~4 倍。
  金属零件3D 打印是整个3D 打印体系中最前沿和最具潜力的技术,是增材制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添加方式的不同,将金属3D 打印技术分为3 类: ①激光工程化净成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)技术;②激光选区熔化(Selective LaserMelting,SLM)技术;③金属粉末的电子束熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)技术。以下分别对三种快速成型技术的成型原理和成型特点进行介绍。
  2 金属3D 打印技术的发展
  2.1 激光选区熔化技术
  SLM 是金属3D 打印领域的重要部分,SLM 技术用高强度激光束选择性地熔化金属粉末,是3D 打印技术的主要发展方向。SLM 的基本原理是:计算机将设计好的三维模型进行切片分层处理,激光束则根据每一层的形状数据,选择性地熔化金属粉末。每完成一层粉末的“打印”,平台下降一个层厚,铺粉辊重新铺上一层相同厚度的粉末,激光束继续在新的粉层上扫描截面轮廓,不断地重复叠加直到完成零部件的成形。
  SLM 技术的特点:(1)成型精度高。在现有的金属3D 打印技术中成型精度最高,尺寸精度达20~50μm。(2)力学性能良好。由于该技术在制造零件时,激光束将金属粉末完全熔化,液态金属再凝结而成,所以致密度接近100%。(3)材料广泛。SLM 技术可对金属粉末、合金粉末,甚至陶瓷等固体无机物粉末进行烧结。
  2.2 激光工程化净成形技术
  激光工程化净成形技术LENS,是一种金属零件直接成型较快的技术手段。它与SLM 快速成型技术工艺基本相同,区别在于送粉结构不同。LENS 技术是通过喷嘴输送金属粉末,而SLM 技术则是通过送粉缸和刮板或铺粉辊进行铺粉烧结。LENS 成型系统中,同轴送粉器主要由三大部分构成,即送粉器、送粉头和保护气路。其工作原理如下,在保护气体的作用下,送粉装置将金属粉末吹到熔池内进行熔化烧结,通过喷嘴的移动和工作台的移动,更换烧结区域,如此循环,层层叠加,最终成型金属零件。
  LENS 技术的特点,(1)与SLM 技术相比,LENS 技术可制造出更大尺寸的金属零件;(2)LENS技术不仅仅能用于金属零件的制造,还能进行金属零件的焊接、修复和添加等;(3)LENS 技术特别适于高熔点金属的激光快速成形;(4)LENS 技术生成的零件成型质量较差。
  2.3 电子束选区熔化技术
  电子束选区熔化技术简称“EBSM 技术”,其加工热源是高能电子束,通过操纵磁偏转线圈进行扫描。电子束选区熔化成形与激光选区烧结类似,金属粉末在电子束轰击下熔化的原理,首先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实;然后,电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的烧结,层层堆积,直至整个零件烧结完成。
  EBSM 技术特点:(1)功率能量利用率高。电子束加工的最大功率能达到激光的数倍,激光烧结的能量利用率为15%,而电子束烧结能量利用率为75%,能量利用率高出很多;(2)对焦容易。激光在理论上光斑直径可达1nm,但在实际应用中一般达不到。而电子束则可以通过调节聚束透镜的电流来对焦,束径可以达到0.1nm;(3)真空环境无污染,成形速度高。电子束设备可以进行二维扫描,扫描频率可达到20kHz,无机械惯性,可以实现快速扫描,在真空环境下作业,无污染。
  3 总结
  金属零件3D 打印是整个3D 打印体系中最前沿和最具潜力的技术,是增材制造技术的重要发展方向。但与国外发达国家相比,我国金属3D 打印技术还处于起步阶段,技术水平比较落后,面对科学技术的不断创新和制造业对技术研发的新要求,我国应加大投入,组织各学科各行业协同努力,攻克金属3D 打印技术中各种难关,制造出具有我国自主知识产权的金属3D 打印设备。
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